JPS61234296A - 横軸ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野）。

本発明は、動圧効果を利用するためにスパイラル溝を具
えたスラスト軸受を、運転中、軸推力のかかる横軸ポン
プ、特に横軸多段ポンプの吐出側又は吸込側に設けて、
軸推力を支えるようにした横軸ポンプに関する。

（従来の技術） 従来の横軸多段ポンプは、第３図に示すように、吸込口
ｌから吸込まれた液が複数の羽根車ＪＫよって多段的に
加圧され、吐出口３から吐出されるが、運転中に回転軸
部に加えられるラジアル荷重は、ケージング両側壁部の
軸封装置ｊを経て両側に設けられた軸受４，４によって
支持され、また回転軸部に加えられるスラスト荷重は、
最終段の羽根車の背後の回転軸部に取付けられたバラン
スディスク（釣合盤）７に、最終段の羽根車から吐出さ
れた高所“流体を、各羽根車に作用する吸込側へ向かう
推力荷重とは逆方向に作用させるようにして相殺させ、
軸推力をバランスさせていた。図中、ｔは吸込ケーシン
グを示す。

また、多段羽根車の配列を変えることによって軸推力を
水力学的にバランスさせたり、バランスパイプによって
吸込圧と吐出圧をバランスさせて軸推力を軽減させてい
た。

（発明が解決しようとする問題点） 上記した従来技術において、バランスディスクを用いた
ものでは、ポンプが段々高圧になるとバランスディスク
では漏洩が多くなり易く、また相対運動する対向部材が
、始動時及び回転中、摺動接触する場合があり、摺動接
触する材料同士の凝着摩耗を呈し、これによる動力損失
が大きかった。

また、多段羽根車の配列を変えるようにしたものでは、
例えば、多段羽根車の右半数と左半数を反対の向きに取
付けるなどして理論的には軸推力をバランスさせ得るが
、実際上は運転状態にも変化があるため、多少の不釣合
が残ることは避けられず、別個の推力軸受が必要となる
などの問題点があった。また、バランスパイプ・を用い
たものにおいても、漏れによるポンプ効率の低下などの
問題点があった。

本発明は、流体摩擦を利用してスラスト軸受の損失動力
を少くすると共に、ポンプの正回転のときばかりでなく
逆回転させた場合でもスラスト荷重が受けられることを
可能とし、ポンプのシール機構、外部軸受、バランスデ
ィスク及びバランスパイプ等を取り除いた高効率ポンプ
を得ることを技術的課題としている。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、上記した従来技術の欠点を除去し、問題点と
技術的課題を解決するために、一方の端面に正転時に動
圧効果を生じさせる方向に形成されたスパイラル溝を、
また裏面には逆回転時に動圧効果を生じさせる方向に形
成されたスパイラル溝をそれぞれ設けたセラミックス等
の硬質材料からなる中間板を、一方が軸と共に回転し、
他方がケーシング側に固定された対向する２個の受板の
間に介在昏せたスラスト軸受を、ポンプの吐出側又は吸
込側の回転軸部に取付けたことを特徴とし、ポンプの吐
出側に取付ける場合は、最終羽根車の背後の軸を貫通し
て対向受板と中間板を取付け、該中間板の表裏両面には
、軸が貫通する中央開口部の外側に、スパイラル溝部以
外の部分と同じ高さの環状部をそれぞれ設け、またポン
プの吸込側に取付ける場合は、ポンプ軸の吸込側端部を
利用し、該軸端に回転受板を、またケーシング側に静止
受板を取付け、中間板の表裏両面の中央部に各スパイラ
ル溝と連通ずる凹部を設けている。

（作用） 本発明は上記のように構成されているので、該スラスト
軸受をポンプの吐出側に取付けた場合（第１図）、羽根
車が正方向に回転され吸込側へ向かう軸推力を発生する
と、中間板の表面（回転受板と対向する面）のスパイラ
ル溝は、ポンプ作動液からなる潤滑液を周辺部よシ中央
部の環状部へ向けて強制移動させるのに伴い動圧を発生
し、対向両面間に所要の厚さの液膜が形成されて推力荷
重を支える。他方、裏面（静止受板と対向する面）のス
パイラル溝は、ポンプ軸の回転につれて中間板も共に回
転しようとするが、その溝の向きが表面の溝とは正面か
らみて逆方向に形成されているので動圧効果が生ぜず、
中央環状部よシ周辺部へ溝内の液が排除されようとして
両面間に吸引力が働くので、該中間板は静止受板に完全
に密着される。従って、中間板をポンプケーシング側の
受板に接着剤等によって接着する必要がない。

″１九始動時、配線等のミスで逆方向に回転させたとき
は、中間板の表面のスパイラル溝内の潤滑液が周辺部へ
排除されることになって、回転受板と中間板間に吸引力
が働き、中間板はポンプ軸と一体となって回転するよう
になる。従って、勤王効果は、裏面のスパイラル溝と静
止受板との間に形成される。なお、軸の正回転時及び逆
回転時、スパイラル溝の周辺部より中央開口部へ強制移
動された流体は、中央環状部と両受板でそれぞれ形成さ
れる狭い隙間により絞り作用を受けるので、流体膜に圧
力が発生し負荷能力をもつ。

他方％該スラスト軸受をポンプの吸込側に取付けた場合
（第２図）は、ポンプ吸込側へ作用する軸推力が、正回
転時、ポンプ軸に取付けられた回転受板と中間板の表面
との間に形成される液膜によって支えられ、この時、中
間板の裏面はポンプケーシング側に取付けられた静止受
板に完全に密着されている。また逆回転時には、中間板
は回転゛受板に吸引されてポンプ軸と一体になって回転
し、動圧効果は、裏面のスパイラル溝及び凹部と静止受
板との間に形成されることなど、前記吐出側に取付けた
場合と本質的に変シはない。

（実施例） 次に１本発明の実施例を図面と共に説明する。

第１図は、スラスト軸受をポンプ吐出側に取付けた、本
発明の第１実施例を示す要部断面図で上半分を示し、回
転軸／／に取付けられた複数の羽根車１２から吐き出さ
れた水は、吐出口１３から外部へ吐出され、また最終段
羽根車ｌコの背後には、軸受室ｌ≠がポンプ室と連通ず
るようにして形成されている。

上記軸受室ｌ≠には、回転軸／／と一体に回転する回転
支持体ｔＳに、回転受板１６が充填材を介して固定され
、また中央を開口したケーシング隔壁／７に静止受板Ｉ
Ｉが充填材を介して固定され、これら両受板７６と７；
−の晶に、表裏両面にそれぞれの面から見て逆方向（従
って透過して見たときは同方向に見える。）の向きのス
パイラル溝をそれぞれ設け、且つ中央部に軸が貫通する
開口を有するセラミックス材からなる中間板ｌりが挿入
されている。なお、図中、コＯは中間板ｌりが半径方向
に移動しないための支持体、２／はラジアル形水中軸受
、−２２は閉止板、コ３はライナーリングを示す。

第３Ａ図は、上記中間板／りの表面、即ち回転受板１６
と対向する面からみた平面図であって、周辺部から、中
央開口部−２５の周シに溝部以外の部分と同じ高さに形
成された中央環状部２６（図の白い部分）にかけて、ス
パイラル溝−２７（図の黒い部分で、通常、溝部とその
間とはほぼ等面積に形成される。）が設けられておシ、
この表面のスパイラル溝コアの向きは、これと対向して
回転する受板ｌ乙によって流体が周辺部より溝２７に沿
って中央環状部２ｔへ誘導され、該中央環状部コｔと回
転受板ｌ！で形成される狭い隙間の絞り作用によシ動圧
効果を生じるような方向に形成される。また該中間板ｌ
りの裏面、即ち静止受板ｉｔと対向する面は、第３Ｂ図
に示されているように、第３Ａ図（表面）とは向きを逆
にしただけの同形状のスパイラル溝２７′と中央環状部
２１．１が形成されている。

そしてこの実施例では、中間板ｌりを構成する硬質材と
してセラミックス材、例えば炭化珪素（ｓｔｏ）、窒化
珪素（Ｓｉ、Ｎ４）が使用され、また両受板ｔｔ、ｉｔ
には、ＳｕＳ　Ｑ２０　ＴＺ（？ルチンサイド系ステン
レスＬ”を超硬合金（ｗｅ）、軟質焼結銅合金が使用さ
れる。なお、このセラミックス材は、耐食性に優れてい
る反面、加工性が悪いため、その表面に３〜ｊＯμｍ（
ミクロンメータ、Ｉ／／　０００■）の極めて浅いスパ
イラル状の溝加工を施すことは容易ではないが、本発明
では、所定形状のセラミックス製の被加工材の表面を、
所定形状のスパイラル状の樹脂マスクで遮蔽した上、微
粉のアルミナ質研削材を上記樹脂マスク上に噴射するシ
ョットプラスト加工法により、極めて短時間にスパイラ
ル溝を形成する。（この方法は特願昭６０−７よ７２号
明細書に詳しく説明されている。）危お、スパイラル溝
の溝深さは、５〜７０μｍのとき、動圧を発生する対向
両面間の流体膜に大きな限界面圧が発生し、大きな推力
荷重を受けることが可能となることが実験的に確認され
ている。なお、前記水中軸受−２１もＳｉＯ，５ｔ３Ｎ
４．人ｔ２０３等で構成され、軸スリーブは、上記受板
と同材料で構成されている。

この実施例によれば、回転軸／／を第１図の矢印方向（
正方向）に回転させると、回転支持体ｉｓを介して回転
受板／Ａも同方向に一緒に回転し、中間板ｌりの表面（
第３Ａ図）に矢印入方向の流れが生じ、スパイラル溝２
７にはポンプ作動液が周辺部から中央ｉ状部コロへ向っ
て強制移動され、該中央環状部コｔと回転受板／Ａで形
成される狭い隙間の絞シ作用によって動圧が発生し２、
この対向両面間に所要の厚さの液膜を形成して推力荷重
を支える。他方、静止受板ｔｒと対向した裏面（第３Ｂ
図）のスパイラル溝２７１は、回転軸ｌの回転につれて
中間板／Ｐも共に回転しようとして、中心環状部２６１
よシ周辺部へスパイラル溝、２７１内の液を排除しよう
とし、その結果、両面間に吸引力が働いて該中間板１０
は静止受板ｉｔに完全に密着される。従って、中間板１
０をケーシング側の受板に接着する必要がなくなるので
、接着による熱膨張差による割れの心配もなく、高温ポ
ンプにも使用でき、また、回り止めを必要とせず簡単な
構造となる。

また始動時、配線等のミスで逆方向に回転させたときは
、中間板ｌりの表側のスパイラル溝−２７内の液が周辺
部へ排除されることになって回転受板１６と中間板ｌり
と０間に吸引力が働き、中間板１２はポンプ軸／／と一
緒に回転するようになるので、動圧効果は裏面のスパイ
ラル溝−２７１と静止受板ｉｔとの間に形成され、スラ
スト荷重を受ける。

またこの実施例では、中間板１０を前記のようにセラミ
ックス材で構成しているので、スパイラル溝が３〜！Ｏ
μｍの深さの溝で十分な軸受能力を発揮することから、
素材のセラミックスも経済的な肉厚、例えばＳｉＯでは
ｌ−λ■の厚みでよく、しかも前記のように、支持受板
に対する吸引作用によって金属材料等への接着の必要が
ないので。

前記のようにコスト的にも安価に製造でき、また接着に
伴う熱膨張差による割れの心配もないので。

高温用としても都合がよい。また、潤滑液としてポンプ
作動液がその′＊ま使用でき、自己潤滑が可能となるの
で、ラジアル形水中軸受と組合せることによシシール機
構が不要となシ、従って外部軸受の必要がない、また、
特に横軸ポンプに用いているので、動圧効果が未だ発生
しないポンプ起動時において回転体の自重がスラスト軸
受にかからず、都合がよい。

第２図は、スラスト軸受をポンプ吸込側に取付けた、本
発明の第λ実施例を示す要部断面図でおつて、この図に
記載した符号のうち第１図に記載した符号と同一のもの
は同一ないし同類部分を示すものとする１図において、
ポンプの吸込ケーシングｔｙｃ隣接し且つ該吸込ケーシ
ングｒと連通路３ｉ等を介して連通するようにして軸受
ケーシング３コが適宜着脱可能に（図示省略）取付けら
れ、内部に軸受室３≠が形成されている。

上記軸受室３４＆には、回転軸／／の吸込側の軸端に取
付けられた回転支持体３ｊに、回転受板３６が充填材を
介して固定され、また軸受ケーシング３−２に球面≠Ｏ
ａで支持され、微小な動きは許容するが回転しないよう
にビン弘ｌに係合された支持体部０に、静止受板３ｔが
充填材を介して固定され、これら両受板３６と３ｒの間
に、第１Ａ図（表面）及び第ＶＢ図（裏面）に示すよう
に１表裏両面にそれぞれの面から見て逆方向の向きのス
パイラル溝４ｃ７．≠７′を、また中央部に各スパイラ
ル溝に連通ずる凹部弘６．≠６′をそれぞれ設けた中間
板３りが挿入され、支持体−２０で半径方向に移動しな
いようにされている。なお、該中間板Ｊり及び両受板Ｊ
ｔ、Ｊｌｒの材質は前記第１実施例の中間板と受板と同
様でアシ、またスパイラル溝の溝深さは、３〜よ０μｍ
のとき動圧を発生する対向両面間の流体膜に大きな限界
面圧が発生することが実験的に確認されている。

この実施例によれば１回転軸ｌｌを第２図の矢印方向（
正方向）に回転させると、中間板３りの表面（第弘人図
）に矢印入方向の流れが生じ、該中間板３りは静止受板
３ｊに密着され、中間板３りの表面と回転受板３ｔとの
間に液膜が形成されて推力荷重を支え、また逆回転時に
は、中間板３りは回転受板３ｔに吸引されて一体に回転
し、動圧効果は中間板の裏面と静止受板３１との間に形
成されるなど、第１実施例の場合と変りはない。しかし
この実施例では、中間板が軸によって貫通されていない
ので、動圧効果が大きく、また小型にし易く、更に静止
受板Ｊｒの支持体≠Ｏは微小な動きが許容されるので、
回転軸／／の傾きにも順応することができる利点がある
。

（発明の効果） 本発明によれば次のような効果が奏される。

（１）　　ポンプ軸の正転時ばかりでなく逆回転時にお
いても動圧効果を利用して同様のスラスト荷重を受ける
ことができ、ｔた正逆何れの回転時においても、動圧効
果を生じない側には吸引力が生じるため、対向受板との
間に強力な接着作用が生じる。従って、特に正回転時、
中間板を支持体に接着する必要がなくなるので、接着に
よる熱膨張差による割れの心配もなく、脆性的な材料、
特に炭化珪素セラミックスを軸受材料として使用が可能
となる。

（１１）特に横軸ポンプのスラスト軸受として用いたこ
とによプ、動圧効果が未だ生じないポンプ起動時におい
て、回転体の自重が該スラスト軸受にかからず、都合が
よい。

ＧｉＤ　　中間板をセラミックス材等の硬質材料で構成
しているので、ポンプ作動液による自己潤滑が可能とな
シ、ラジアル形水中軸受と併用することによって、シー
ル機構が不要となり、外部軸受の必要がなくなるので、
ポンプの据付面積を小さくでき、保守点検も楽になる。

４ψ　従来のバランスパイプを不要としたことによシ漏
水量を極力少なくシ１．ポンプ効率を従来のものよシコ
〜３％向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は１本発明の第１実施例及び第２実施
例を示す横軸ポンプの要部断面図、第３Ａ図及び第３Ｂ
図は第１実施例に用いられる中間板の表面及び裏面を示
す平面図、第≠Ａ図及び第ｐＢ図は第２実施例に用いら
れる中間板の表面及び裏面を示す平面図、第５図はバラ
ンスディスクを用いた従来の横軸多段ポンプの縦断面図
である。 ／　／−・・回転軸、ｌコ・・・羽根車、／４／−、Ｊ
４Ａ・・・軸受室、ｔｔ、３ぶ・・・回転受板、ｔｒ、
３ｔ・・・静止受板、／　Ｐ　、　Ｊ　Ｐ−・・中間板
、コア　、　Ｊ　７／、≠７゜４Ｌ７Ｉ・・・スバイ２
ル溝、２ｊ−・・中央開口部、Ｊ４゜２ｔｌ−一環状部
、４ｃａ　、　！　ｔｔ−Ｂ部。 第３Ａ図　　　　　　第３Ｂ図 第４Ａ図　　　　　　第４８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、運転中、軸推力のかかる横軸ポンプにおいて、一方
   の端面に正転時に動圧効果を生じさせる方向に形成され
   たスパイラル溝を、裏面には逆回転時に動圧効果を生じ
   させる方向に形成されたスパイラル溝をそれぞれ設けた
   セラミックス等の硬質材料からなる中間板を、一方が軸
   と共に回転し、他方がケーシング側に固定された対向す
   る２個の受板の間に介在させたスラスト軸受を、ポンプ
   の吐出側又は吸込側の回転軸部に取付けたことを特徴と
   する横軸ポンプ。 ２、前記スラスト軸受を、最終羽根車の背後の軸を貫通
   して取付け、前記中間板の表裏両面における中央開口部
   の外側に、スパイラル溝部以外の部分と同じ高さの環状
   部をそれぞれ設けた特許請求の範囲第１項記載の横軸ポ
   ンプ。 ３、前記スラスト軸受をポンプの吸込側の軸端部に取付
   け、前記中間板の表裏両面の中央部に、各スパイラル溝
   に連通する凹部をそれぞれ設けた特許請求の範囲第１項
   記載の横軸ポンプ。